CN86105020A

CN86105020A - 电弧点火装置

Info

Publication number: CN86105020A
Application number: CN198686105020A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·A·赫瓦特; 保罗·H·奈卡拉; 加里·E·弗加桑
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1986-08-09
Publication date: 1987-03-11
Also published as: JPS6237365A; EP0211413A3; EP0211413A2

Abstract

本发明揭示了一个用于真空电弧等离子体发生系统的点火装置，包括一个长度为L的、其边缘与对阴极表面边缘并置间距为D的细长金属点火器元件，有桥接表面的绝缘元件被放置得使桥接表面在点火器元件与阴极表面边缘间连接。在桥接表面上沉积一层导电薄膜。在点火器元件和阳极间设置一个简单的电连接，使点火器元件为一辅助阴极。为了在阴极和阳极间施加直流电弧电压时使导电薄膜汽化并从而引发电弧，长度L要够大而间距D要够小。

Description

本发明涉及一种用于引发等离子体装置里的电弧，特别是在真空电弧镀覆过程中使用的、类型新颖的阳极点火装置和工艺过程。

电弧等离子体发生器具有包括例如通过由电流加热阴极的对阴极的物质使之汽化产生镀覆的系统的各种各样的结构和应用。A·A斯纳珀在美国专利3625848号、3836451号，L.萨弗雷夫等人在美国专利3783231号和379317号里揭示了这样的镀覆系统。

与这些系统有关的一个问题是在阴极上电弧的稳定性，也就是说，阴极炽点的稳定性。例如，前面提到的美国专利3793179号描述了一个围绕阴极9伸展的屏障21，在屏障和阴极之间有一间隙22，该间隙要求能阻止阴极向阴极的非汽化表面转变。

W.M牟勒利在美国专利4430184号讲授使用一接触对阴极16的限制环24，该环由一种具有某些约束阴极炽点到阴极的对阴极表面的特性的材料组成。该材料规定具有一在电弧的平均能量（一般为20至100电子伏特）下低于1的次级发射率，并且还应有低于汽化的阴极材料表面能量的表面能量。氮化硼就是一个例子。

C·F·小莫里森在美国专利4448659号还揭示了另一种方法。在此专利里，电弧限制环14由导磁极料制成，并且直接与对阴极10接触。

上述具有其限制环的阴极并不保证引起或者触发电弧。因此，使用几种分离型的点火系统，一种这样的系统是象在前面提到的美国专利3625848号所揭示的一高电压火花源，其中，火花源20被施加在阴极15和一贴近阴极的分开的电极22之间。一旦电弧被触发，高压点火器便断开。然后，电弧用一低电压（例如30伏特）高电流（例如200安培）的直流电源来维持。

另一通常用的引发方法在上述关于稳定阴极炽点的美国专利3793179号内加以说明。该专利讲授使用一可移动的触发电极29。一电磁铁电枢30和一回弹弹簧34控制触发电极，以便瞬时地接触阴极，从而在施加的电弧电压下引起电弧。

还有另一种已知的方法是通过施加一合适的电流来汽化真空室内的一特种金属丝。汽化物引发一起始电弧路径，然后由正常的电弧电压维持电弧。

上面描述的电弧引发方法有许多缺点。火花方法，也通常在其他类型的等离子体发生器里被使用，至少要用1000伏电压，一般使用1000伏，并会在电子伏器包括在镀覆作业中用来控制装置的计算机中产生射频干扰。触发电极一般通过复杂的机构包括螺线管或气动装置工作。如果触发电极需要密封穿过真空镀覆室壁的机械进口，就存在伴随有跳火和局部腐蚀的紧固和漏泄等问题。在每一装置里，可汽化的金属丝只能使用一次。这些方法无一被证明为充分可靠，并且，在形成稳定电弧以前，往往需要作几种尝试，否则，经常由于未点火而使操作不得不停止。

难以引发的一个理由是，在真空装置里，最初在电位电弧通道里存在少量可电离的物质。这一问题是由亚历山大S·小吉尔默和戴维L.洛克伍德在电气电子工程师协会会志第60卷第977页（1972年8月）刊出的“脉冲金属等离子体发生器”一文中指出的。作者描述了几种方法，包括上面讨论过的高电压脉冲和机械接触方法，以及激光脉冲法和氢化钛点火器等。

吉尔默等人又揭示了位于点火器电极和阴极之间的绝缘体表面上的导电薄膜的用途。应用带有电容器放电的几百优特的电流脉冲使薄膜汽化而放出一缕点火羽烟，导致电弧的建立，然后通过单独的电弧电源持续下去。需要有与电弧电压源分开的第二个电源;又揭示可用一电容放电系统来达到此目的。

因而，本发明的目的是提供一个用于真空等离子体发生装置的新颖可靠的阳极点火装置。

另一个目的是提供一能够可靠地并重复地触发电弧而母需单独点火电源的新颖真空电弧阳极点火装置。

另外一个目的是提供具有简单价廉电弧点火系统的一种改进型真空镀覆装置。

上述以及其他各目的是按照本发明，通过点火装置在一真空电弧等离子体发生装置里实现。该点火装置包括一长度为L的细长金属点火器元件，其内缘与阴极的对阴极表面边缘并置间距为D。一个有桥接表面的绝缘元件最好由氮化硼之类的材料构成，并被置入到使桥接表面在点火器元件与对阴极表面边缘之间连接。点火器元件和绝缘元件可做成环状以环绕圆形的对阴极表面。点火器元件的内缘最好做成许多与桥接表面接触的锯齿，在桥接表面淀积一层导电薄膜，在点火器元件和等离子体系统的阳极间设置一个简单的电连接，使点火器元件成为一辅助阳极。为了在阴极和阳极间施加直流电弧电压时使导电薄膜汽化，长度L要够大而距离D够小，因此，不需用一个附加起动电压电源便能引发电弧。

图1是按照本发明包括一个点火装置的电弧蒸镀装置剖视图。

图2是按照本发明装有一个点火装置的阴极顶视图。

按照本发明的一个点火装置特别适用于由真空阴极电弧放电物理汽化蒸镀（“电弧蒸镀”）产生诸如氮化钛的镀覆装置。上述美国专利第3625848号、3793179号和4430184号详细地描述了这一过程以及相应的装置。在本发明应用的一个典型的实施例里，如图1所示，真空室包含具有对阴极辐射源材料的阴极14的一电子束枪。一环形阳极16由绝缘支架17连接到真空室10作为主要阳极用于电弧放电到阴极14。阴极带着包含由绝缘体22连接到室10的冷却水腔18和管道20的系统安装到真空室内。一环形的绝缘元件24环绕在阴极的对阴极表面26上。在最佳实施例里，绝缘元件24作限制环之用，并且如同在美国专利4430184号里所讲授由氮化硼制成，限制环约束电弧的阴极炽点到对阴极表面26，并且进而提供如下文所描述的重要优点。环形阳极可由铜管或类似物构成。

待镀覆的基片28用一延伸穿过室壁69的高压绝缘支柱34上的导电支架32安置在电子束枪12的电子束通道30内，一般离开阴极14约25厘米。按已知工艺抽真空系通过一连接到适当的真空泵（未示出）的导管36进行。真空室借助通过管子40流入合适的气体，诸如氮气或氩气，保持在约1毫乇的绝对气压。当达到所要求的压力时，管子里的阀42可关闭。

对于一电弧蒸镀系统，使用一具有“下降”特性的普通型直流电源44，也就是说，开路电压约为电弧工作电压的两至三倍，开路电压一般约低于100伏特，提供工作电压约在20伏特和50伏特之间，而电流从30安培左右至200安培。电源44通过一电源开关45加在阳极16和阴极14之间。由此引起的电弧放电导致辐射源材料的电子束以最大的集中度垂直发射到对阴极表面。电子束主要由离子和一些中性原子连同电子组成。作用到待镀覆的基片28上的一负压（10至2000伏特）源增加颗粒的淀积，特别是在那些不是直接面向辐射源材料的表面上。

作为一例，为了形成氮化钛镀层，使用的阴极辐射源为一直径约10厘米的钛盘。充以氮气的真空室保持在约1毫乇气压，在淀积过程中，氮气与钛作用而产生氮化钛镀层。系统比如工作约15分钟，在基片表面便形成厚度约在1微米和30微米之间的镀层。然而，镀层厚度一般约从0.1微米到1.0毫米。

在图2里还更为详细地显示了按照本发明的一点火装置48，包括一与绝缘元件24连在一起的金属阳极点火器元件50。该点火器元件可以由诸如不锈钢、铜或钼之类金属薄片加工成形。如图2所示，点火器元件50可形成环状，被绝缘元件24的外表面上的c形弹簧夹52夹持。也可使用任何其他的夹紧工具，比如在绝缘元件对边的带有一连串弧形地等间距配置在穿过圆环和绝缘元件的孔里的螺栓的第二个圆环。在点火器元件50的内缘54（图1）与对阴极表面26的外缘56间设置一间距为D的小间隙，露出绝缘元件24的桥接表面58。点火元件的周长沿内缘54测量为L。本发明的一实施例的重要特点是长度L很大，而间距D很小，这从下面的讨论显然可见。点火器50的适应厚度为0.8毫米。

点火器元件50的内缘54应与桥接表面58接触。在图2所示的实施例里，这乃通过在内缘54里形成的许多锯齿60向着桥接表面58弯曲（图1）而使尖头62接触表面58来实现。在这种情况下，间距D自尖头的端点62和边缘54之间测定，而长度L沿着尖头62的包络线测定。

在阳极点火器元件50和主要阳极16之间作一电连接64。这包括一点火器电路开关66和不大于约15欧姆的可变电阻元件68。开关66可通过穿在室壁69内的绝缘体67的引入连接而设置在室外。除了开关和电阻元件外，不需要其它电子元件或器件，而且连接64为一简单的电连接。因此不包含单独的电源，如起动电源，电容放电装置或诸如此类。此处和在权项里所用的术语“简单的电连接”可以包括一开关和/或一电阻元件，但明确地排除任何用于引发电弧的附加电源。

为了达到触发电弧的目的，桥接表面58有一薄层导电薄膜70淀积于其上，其厚度约在0.05微米和50微米之间，最好约在0.1微米和10微米间。在如图1所示的镀覆装置，这样一层镀覆薄膜在进行镀覆工序时实际上被淀积在包括桥接表面58在内的镀覆室10内所有的表面上。这样，用该装置进行一在先的镀覆工序对镀薄膜70是一个非常方便的方法，薄膜70可以由例如氮化钛组成。当电弧电压随着开关66闭合而开始施加时，电压系越过薄膜70而施加。

按照本发明，距离D相当小，例如从约1毫米到约10毫米，最好是从约3毫米到约5毫米。另外，长度L应以较大为好，例如大于约5厘米，最好大于约10厘米。通常长度L要够大而距离D够小，以便当通过闭合阳极16和阴极14间的开关而施加电弧电压时，至少一部分薄膜70由于电流脉冲而汽化，开关66系预先置于其闭合位置。然后汽化的薄膜材料在电弧电压下被电离而形成一个电弧通道，于是触发电弧。

由于点火器元件50取用环形或其他十分接近阴极14的形状，元件50也显然起中间阳极的作用，有助于形成和保持初始的电弧放电。当电弧形成时，主要阳极16至少取代一部分电弧放电，初始的电流脉冲受电阻68的限制。

随着电弧引发，基片28以正常的方式镀覆。同时，桥接表面58接受镀覆材料薄膜70的补充。在电弧触发后，开关66几乎立即被断开（若属需要，通过一个电弧传感器在约1毫秒内自动断开），将电弧放电转移到主要阳极16。作为比较方案，开关66可任其闭合以备瞬时重新点火，如果出现电弧终止，并且将点火元件50作为一个辅助阳极而改善电弧效果。

当基片按要求镀覆完成时，电源开关45被断开，就可更换另一件基片进行镀覆。当装置再次准备好所需要的气体，开关66重新闭合，然后闭合电源开关45，通过重新汽化的薄膜材料，电弧自动地重新开始，镀覆过程重复进行。镀覆循环可以一如所要求镀覆的基片的数目那样多次重复，或者一直重复到阴极的对阴极14或绝缘元件24被更换为止。

一新制的绝缘元件可由任何已知或需要的方法镀覆一层初始薄膜。例如，元件可以在先前使用另一种绝缘元件的镀覆过程中被放置在一个镀覆装置里的任一方便而又未被用过的位置。这样的点火装置可以持久使用。

在图2所示的本发明的实施例里，当设置一种新式或新制的绝缘元件时，至少一个，最好是三个或更多个指状元件72用于引发电弧。这些指状元件可使用例如弹簧扣子74附着在点火器50上，从而使指状元件径向地向中心伸展并触及靠近阴极外缘58的对阴极表面26。指状元件可以，例如由宽度为0.8毫米环形材料的伸出部构成，或由其他合适的导电材料构成。指状元件可以是长约0.3厘米至3厘米（例如2.5厘米），直径为0.5毫米至3毫米的金属线或截面相同的金属条。指状元件的电阻率、数目和直径调配得当施加电弧电压源44（通过将开关45闭合）时，即受热而汽化，汽化的指状材料如上面所描述的薄膜那样引发电弧。

无论什么时候，只要指状元件放到适当位置，电弧装置在有绝缘元件24的情况下开始工作，而没有薄膜70淀积在桥接表面58。在第一道淀积工序以后，薄膜已经淀积，在没有上面所述的指状物的情况下电弧即可连续触发。

正如上述表明，绝缘元件最好由牟勒利在美国专利4430184号里所规定的特殊材料构成。理由之一是，发现这种材料，特别是氮化硼，有利于电弧引发而没有电弧残留在薄膜70上。显然，由于其低的表面自由能和低次级发射系数，氮化硼不会被金属薄膜湿润，也不因电弧的作用而减少。这样，当每次使用时，薄膜容易地从桥接表面58上分离，并被扩散而留下一洁净的表面备作再次镀覆。因此，薄膜的厚度可以控制，并且已考虑到薄膜的再淀积重复操作和电弧的重新起动而不会对桥接表面有过多的聚积或弧击损伤。

另一方面，如果使用普通的绝缘材料，诸如氧化铝，由于在桥接表面上沿恒定的导电路径重复大电流，汽化电流的作用最终会毁坏绝缘体。

因此，已经发现绝缘元件应该具有诸如在牟勒利专利里所概述的材料特性，以导致约束阴极炽点到对阴极表面。特别是，该材料在入射到其上的电弧的电子或其它带电粒子的平均能量之下（一般为20-100电子伏特）应该具有小于1的次级发射率。发射率的定义为该材料发射的电子数目对每一个入射到其上的一次带电粒子之比。另外，材料的表面能量应该低于汽化的对阴极材料的表面能量，从而使对阴极材料不湿润绝缘材料。按照牟勒利的专利，对于大多数可以用作对阴极材料的金属来说，氮化硼具有这些适当的特性，因而被用作绝缘元件特别合意。

应该强调象氮化硼之类的材料出乎意外地成为电弧引发系统的重要的和构成整体所必要的部分，除了相应地在限制电弧方面起作用以外（如在牟勒利专利里所描述）。用这样的绝缘材料，长度L甚至可以相当小，例如为5毫米，而在这样的情况下，绝缘元件不必要用作一个限制环，而是可以取用可对比的尺寸（L）。然而，L最好比上面所指出的大一些，以保证薄膜充分汽化，并使点火器元件作为一辅助引发阳极可靠地起作用。

参照上述特殊实施例已详细地描述了本发明，然而，属于本发明的精神和从属权项范畴的各种变换和改进对于那些精通本技术的人而言将变得十分明显，因而本发明仅仅意图由从属权项或其等同文件来限制。

Claims

1、在含有一个阳极和一个阴极，并在一施加的电弧电压下起作用而在阳极和阴极的对阴极表面之间持续一电弧的真空等离子体发生装置里一用于引发电弧的点火装置，包括：

一个长度为L的，其边缘与对阴极表面边缘并置间距为D的细长金属点火器元件；

一个具有桥接表面的绝缘元件，被放置得使桥接表面在点火器元件和对阴极表面边缘间连接；

在点火器元件和阳极间设置的一个简单的电连接；以及

一层淀积在桥接表面的导电薄膜；

为了使至少有一部分导电薄膜在施加电弧电压时汽化并从而引发电弧，长度L要够大而间距小要够小。

2、按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于，L约大于5厘米，距离D约在1毫米和10毫米之间。

3、按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于，点火器元件和绝缘元件大体上环绕对阴极表面。

4、按照权利要求3所述的点火装置，其特征在于，对阴极表面为圆形，而点火器元件和绝缘元件做成环形。

5、按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于，内缘做成许多与桥接表面接触的锯齿。

6、按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于，等离子体发生装置适用于借助阴极材料靠来自对阴极表面的电弧而汽化来镀覆基片，而在桥接表面上的导电薄膜系由一部分汽化的阴极材料所淀积。

7、按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于，简单的电连接包括一小于约15欧姆的电阻元件。

8、按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于，简单的电连接包括在电弧被引发以后立即断开电连接的开关装置。

9、按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于，绝缘元件做成环绕对阴极表面的形状，并由一种绝缘材料构成，具有（a）在电弧的带电粒子的平均能量下小于1的次级发射率，以及（b）一小于汽化的对阴极材料表面能量的表面能量，以约束阴极灼点到对阴极表面。

10、按照权利要求9所述的点火装置，其特征在于，绝缘材料包括氮化硼。

11、一个真空电弧镀覆装置，包括：

一个阳极;

一个在其上有对阴极表面的阴极;

一个长度为L、其边缘与对阴极表面边缘并置间距为D的细长金属点火器元件;

一个具有桥接表面的绝缘元件，被置放得使桥接表面在点火器元件与对阴极表面边缘之间连接;

在点火器元件和阳极之间设置的一个简单的电连接;以及

一个用于提供电弧电压以便在阳极和对阴极表面之间持续电弧，使电弧从对阴极表面汽化阴极材料，从而在桥接表面上淀积一层导电薄膜的装置;

长度L要够大，而间距D要够小，为的是在电弧电压终止后接着再施加电弧电压时使导电薄膜汽化，并因而在连续施加电弧电压时，再引发电弧。

12、按照权利要求11所述的镀覆装置，还包括在桥接表面上不存在导电薄膜的情况下用以引发电弧的单独的起动装置。

13、按照权利要求12所述的镀覆装置，其特征在于，单独的起动装置至少包括一被连接到点火器元件并伸展到对阴极表面与之电接触的导电的并可更换的指状元件，在桥接表面上不存在导电薄膜的情况下，在施加电弧电压时，指状元件可汽化而引发电弧。

14、按照权利要求11所述的镀覆装置，其特征在于，绝缘元件取用环绕对阴极表面并与之接触的形状，并由一种绝缘材料构成，具有（a）在电弧的带电粒子的平均能量下小于1的次级发射率，以及（b）小于汽化的对阴极材料表面能量的表面能量，以便约束阴极灼点到对阴极表面。

15、按照权利要求14所述的镀覆装置，其特征在于，绝缘材料包括氮化硼。

16、按照权利要求11所述的镀覆装置，其特征在于，点火器元件取用环绕对阴极表面的形状，并且由导磁材料构成，以约束阴极灼点到靶表面。

17、按照权利要求16所述的镀覆装置，其特征在于，点火器元件具有一个防止感应电流在点火器元件里流动的横向间隙。

18、按照权利要求11所述的镀覆装置，其特征在于，电弧电压有一个约小于100伏特的断路值。

19、一真空电弧镀覆装置，包括：

一个阳极;

一个在其上有一圆形对阴极表面的阴极;

一个周长为L的大体上确定对阴极表面范围的环形金属点火器元件，其内缘与对阴极表面边缘相隔间距D，内缘形成许多锯齿;

一个具有桥接表面的绝缘元件，被放置得使桥接表面在点火器元件与对阴极表面的边缘之间连接，以锯齿与桥接表面相接触，绝缘元件由一种绝缘材料构成，具有（a）在电弧的带电粒子的平均能量下小于1的次级发射率，以及（b）小于汽化的对阴极材料表面能量的表面能量，以约束阴极灼点到对阴极表面;

设置在点火器元件和阳极之间的一个简单的电连接;

一个用于提供电弧电压，以便在阳极和对阴极表面之间持续电弧，使电弧从对阴极表面汽化阴极材料，从而在桥接表面上淀积一层导电薄膜的装置;以及

至少有一被连接到点火器元件并伸展到对阴极表面与之电接触的导电的并可更换的指状元件，在桥接表面上不存在导电薄膜的情况下，在施加电弧电压时指状元件可汽化而引发电弧;

长度L要够大，而间距D要够小，为的是在电弧电压终止后接着再施加电弧电压时使导电薄膜汽化，并因而在连续施加电弧电压时再引发电弧。

20、在一真空电弧镀覆装置里引发电弧的工艺过程，依次包括下列步骤：

（a）提供：

一长度为L、其一边缘与对阴极表面边缘并置间距为D的细长金属点火器元件;

一有桥接表面的绝缘元件，被置放得使桥接表面在点火器元件与对阴极表面边缘之间连接;

一个在点火器元件和阴极之间设置的一简单的电连接;

长度L要够大，而间距离D要够小，为的是在施加电弧电压时使至少有一部分按照步骤（c）淀积在桥接表面上的导电薄膜汽化，并因而引发电弧;

（b）施加电弧电压;

（c）在阴极和对阴极表面之间引发一电弧，使电弧从对阴极表面汽化阴极材料，由此，在桥接表面上淀积一层导电薄膜;

（d）再施加电弧电压，从而汽化导电薄膜并再次引发电弧。

21、按照权利要求20的工艺过程，其特征在于，绝缘元件取用环绕对阴极表面的形状，并由一种绝缘材料构成，具有（a）在电弧的带电粒子的平均能量下小于1的次级发射率，以及（b）小于汽化的对阴极材料表面能量的表面能量，以约束阴极灼点到对阴极表面。

22、按照权利要求21所述的工艺过程，其特征在于，绝缘材料包括氮化硼。